Pin mặt trời perovskite hoạt động dựa trên nguyên lý ánh sáng mặt trời tương tác với một lớp vật liệu perovskite hợp chất vô cơ-hữu cơ dựa trên chì hoặc thiếc halide.

Tất cả các bằng chứng đều cho thấy pin mặt trời perovskite là tương lai của năng lượng bền vững.

Được phát triển bởi Tsutomu Miyasaka vào năm 2009, pin mặt trời perovskite đã xuất hiện như một bước đột phá trong công nghệ quang điện và là một sự thay thế đầy hứa hẹn cho các công nghệ năng lượng mặt trời truyền thống. Các phòng thí nghiệm tiên tiến nhất trên thế giới đang thử nghiệm với các tế bào năng lượng mặt trời thế hệ tiếp theo này, có khả năng hấp thụ một phổ ánh sáng rộng hơn. Tại sao?

Bởi vì, khác với việc sản xuất tấm pin silicon tinh thể (c-Si) đắt đỏ và tốn năng lượng, pin perovskite sử dụng vật liệu perovskite halide kim loại. Những vật liệu này cho phép quá trình sản xuất đơn giản hơn, tiết kiệm chi phí hơn và đã thúc đẩy các nỗ lực nghiên cứu toàn cầu nhằm cải thiện hiệu suất, độ bền và khả năng thương mại hóa của chúng. Với hiệu suất tiềm năng đã nhanh chóng phát triển từ 4% lên hơn 30%, pin mặt trời perovskite có thể có tác động lớn đến tương lai của năng lượng tái tạo.

Hãy đọc tiếp để tìm hiểu về công nghệ pin mặt trời perovskite và cách nó đã bắt đầu mang lại sự thay đổi lớn trong công nghệ năng lượng mặt trời.

Cấu tạo và chức năng của pin mặt trời perovskite

Perovskite là vật liệu linh hoạt, nổi bật với sự linh hoạt trong thành phần, khiến chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghệ cao khác ngoài pin mặt trời, như chip bộ nhớ và máy siêu âm. Các vật liệu perovskite như methylammonium lead halide và all-inorganic cesium lead halide đặc biệt hấp dẫn vì tính hiệu quả về chi phí. Khả năng in các vật liệu này ở nhiệt độ thấp cho phép sản xuất các mô-đun năng lượng mặt trời nhẹ và mỏng hơn.

Các đổi mới như pin mặt trời tandem perovskite-silicon giúp nâng cao công nghệ này bằng cách kết hợp những ưu điểm của perovskite và silicon tinh thể, thu được phổ ánh sáng rộng hơn và tăng hiệu quả tổng thể.

Tiềm năng ứng dụng của chúng trải dài từ các vật liệu tích hợp xây dựng như cửa sổ và tường đến vải và các bộ sạc tự sạc.

Cách thức hoạt động của pin mặt trời perovskite

Pin mặt trời perovskite hoạt động theo nguyên lý ánh sáng mặt trời tương tác với một lớp vật liệu perovskite halide kim loại hoặc thiếc hợp chất hữu cơ-vô cơ. Tương tác này tạo ra các cặp electron-lỗ.

Các electron di chuyển về phía Lớp Vận Chuyển Electron (ETL) và các lỗ di chuyển về phía Lớp Vận Chuyển Lỗ (HTL), tạo ra dòng điện. Một trong những thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các tế bào này là giảm thiểu sự tái kết hợp bề mặt, nơi các electron kết hợp quá sớm với các lỗ, giảm sản lượng điện.

Khoảng 90% các tấm pin mặt trời sử dụng chất bán dẫn silicon, không thể xử lý trong bể dung dịch mà không gây ra các khuyết tật làm suy giảm chức năng. Ngược lại, các chất bán dẫn perovskite có khả năng chịu lỗi cao và có thể được xử lý thành mực bán dẫn, khiến chúng phù hợp để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời nhẹ và linh hoạt.

Sự thích ứng này lý tưởng cho các ứng dụng di động như máy bay không người lái và mái xe hơi. Tuy nhiên, trong khi các tế bào năng lượng mặt trời silicon rất bền với tuổi thọ từ 25-30 năm và ít suy giảm (khoảng 0,8% mỗi năm), các tế bào perovskite gặp phải những thách thức về hiệu suất và sản lượng điện trong dài hạn.

Những thách thức trong việc áp dụng pin mặt trời perovskite rộng rãi

Mặc dù có nhiều tính năng đầy hứa hẹn, pin mặt trời perovskite (PSCs) vẫn đối mặt với những thách thức lớn cản trở khả năng thương mại hóa và sự phổ biến so với công nghệ quang điện truyền thống. Độ bền là một mối lo ngại chính, vì PSC thường có tuổi thọ chỉ khoảng 2,5 năm do thiếu ổn định trong điều kiện thực tế. Sự suy giảm này chủ yếu là do các yếu tố môi trường như độ ẩm và ánh sáng UV. Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các chiến lược khác nhau để nâng cao độ ổn định và kéo dài tuổi thọ của các tế bào này thông qua các kỹ thuật bao bọc tiên tiến và đổi mới vật liệu.

Mặc dù ấn tượng trong các điều kiện kiểm soát với các kỷ lục hiệu suất trên 30%, hiệu suất vẫn cần được cải thiện trong các ứng dụng thực tế. Đảm bảo rằng PSC vừa hiệu quả lại vừa bền bỉ và có thể mở rộng là yếu tố quan trọng để chúng có thể được áp dụng rộng rãi. Quá trình sản xuất cũng gặp phải thách thức; hầu hết các kỹ thuật sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm không dễ dàng chuyển thành sản xuất đại trà. Phát triển các phương pháp sản xuất chi phí thấp, hiệu suất cao và duy trì hiệu quả của tế bào ở quy mô lớn là điều quan trọng.

Tác động môi trường là một thách thức đáng kể khác. Nhiều vật liệu perovskite sử dụng chì, gây lo ngại về độc tính và an toàn môi trường. Nỗ lực loại bỏ hoặc bao bọc an toàn các vật liệu độc hại này là rất cần thiết để thúc đẩy PSC phát triển rộng rãi. Thêm vào đó, các phương pháp thử nghiệm hiện tại cho PSC thiếu tính nhất quán, làm phức tạp việc đánh giá độ bền và hiệu suất trong thời gian dài. Việc thiết lập các phương pháp thử nghiệm chuẩn hóa là cần thiết để thúc đẩy nghiên cứu và đảm bảo so sánh đáng tin cậy về độ bền và hiệu suất.

Ưu điểm của pin mặt trời perovskite

• Đạt được tỷ lệ chuyển đổi trên 30%, vượt qua mức tối đa khoảng 25% của silicon truyền thống.
• Có thể sản xuất ở nhiệt độ phòng bằng các kỹ thuật in hoặc phủ đơn giản, giúp giảm chi phí sản xuất.
• Vật liệu nhẹ và mỏng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các thiết bị di động và vật liệu tích hợp trong xây dựng.
• Duy trì hiệu suất cao hơn ở nhiệt độ cao, lý tưởng cho các khu vực có khí hậu nóng, nơi các tấm pin truyền thống hoạt động kém.
• Các đổi mới như thiết kế tandem perovskite-silicon giúp tăng sản lượng năng lượng trong khi giảm sử dụng vật liệu, góp phần vào các mục tiêu bền vững toàn cầu.

Nhược điểm của pin mặt trời perovskite

• Nhạy cảm với các yếu tố môi trường như độ ẩm, oxy và ánh sáng UV, có thể nhanh chóng làm suy giảm các tế bào nếu không được bao bọc đúng cách.
• Việc sử dụng chì gây ra các vấn đề nghiêm trọng về sức khỏe và an toàn môi trường, đòi hỏi nghiên cứu các vật liệu thay thế không độc hại.
• Việc chuyển từ sản xuất quy mô phòng thí nghiệm sang sản xuất đại trà gặp nhiều thách thức trong việc duy trì chất lượng và hiệu suất.
• Độ bền cấu trúc có thể bị ảnh hưởng ở nhiệt độ cao, hạn chế việc sử dụng ở một số khu vực khí hậu nếu không có giải pháp quản lý nhiệt hiệu quả.

Các bước đột phá toàn cầu và hợp tác

Các tiến bộ gần đây cho thấy sự hợp tác toàn cầu nhằm tối ưu hóa công nghệ pin mặt trời perovskite. Đại học King Abdullah về Khoa học và Công nghệ (KAUST) và Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) đã đạt được một cột mốc với pin mặt trời perovskite phủ bằng dao gạt đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 31,2%. Viện Công nghệ Cao của Đại học Surrey (ATI) đã kéo dài tuổi thọ hoạt động của các tế bào này lên 66%, giải quyết một trong những thách thức chính trong việc ứng dụng thương mại. Thêm vào đó, các nhà khoa học từ Ấn Độ đã phát triển các tế bào perovskite ổn định cao với khả năng chịu nhiệt và ẩm vượt trội, điều này rất quan trọng đối với các điều kiện khí hậu thay đổi.

Trong khi đó, Đại học Thành phố Hong Kong (CityUHK) đã chứng minh các tế bào có hiệu suất 25% và có độ bền dài hạn vượt trội trong thử nghiệm thực tế. Các nhà nghiên cứu của họ cho biết có thể đưa vật liệu vào các ứng dụng xây dựng, trong đó công nghệ này sẽ kết hợp với năng lượng mặt trời truyền thống.

Tiềm năng toàn cầu

Pin mặt trời perovskite có khả năng thay đổi cuộc chơi trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Nếu có thể tối ưu hóa độ bền, giảm chi phí sản xuất và giải quyết vấn đề liên quan đến vật liệu độc hại, công nghệ này có thể tạo ra những tác động đáng kể đối với chi phí năng lượng tái tạo toàn cầu.

Kim Anh (Theo Interesting Engineering)